Удельное электрическое сопротивление и проводимость. Удельное сопротивление металлов

Удельное сопротивление: характеристики, особенности, материалы

Удельное сопротивление – это свойство материала, характеризующее его способность препятствовать прохождению электрического тока.

Характеристики электротехнических материалов

Главной характеристикой в электротехнике считается удельная электропроводность, измеряемая в См/м. Она служит коэффициентом пропорциональности между вектором напряжённости поля и плотностью тока. Обозначается часто греческой буквой гамма γ. Удельное сопротивление признано величиной, обратной электропроводности. В результате формула, упомянутая выше, обретает вид: плотность тока прямо пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды. Единицей измерения становится Ом м.

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд. Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине — подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано. С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

У проводников – менее 1/10000 Ом м.
У диэлектриков – свыше 100 млн. Ом м.
Полупроводники по значениям удельного сопротивления находятся между диэлектриками и проводниками.

Эти значения характеризуют исключительно способность тела сопротивляться прохождению электрического тока и не влияют на прочие аспекты (упругость, термостойкость). К примеру, магнитные материалы бывают проводниками, диэлектриками и полупроводниками.

Как образуется в материале проводимость

В современной физике сопротивление и проводимость принято объяснять зонной теорией. Она применима для твёрдых кристаллических тел, атомы решётки которого принимаются неподвижными. Согласно указанной концепции энергия электронов и прочих типов носителей заряда определяется установленными правилами. Выделяют три основные зоны, присущие материалу:

Валентная зона содержит электроны, связанные с атомами. В этой области энергия электронов градируется ступенями, а число уровней ограничено. Внешняя из слоёв атома.
Запрещённая зона. В этой области носители заряда находиться не вправе. Служит границей раздела двух других зон. У металлов часто отсутствует.
Свободная зона расположена выше двух предыдущих. Здесь электроны участвуют свободно в создании электрического тока, а энергия любая. Нет уровней.

Диэлектрики характеризуются высочайшим расположением свободной зоны. При любых мыслимых на Земле естественных условиях материалы электрический ток не проводят. Велика ширина и запрещённой зоны. У металлов масса свободных электронов. А валентная зона одновременно считается областью проводимости – запрещённых состояний нет. В результате подобные материалы обладают малым удельным сопротивлением.

Расчёт уд. сопротивления

На границе контактов атомов образуются промежуточные энергетические уровни, возникают необычные эффекты, используемые физикой полупроводников. Неоднородности создаются намеренно внедрением примесей (акцепторов и доноров). В результате образуются новые энергетические состояния, проявляющие в процессе протекания электрического тока новые свойства, которыми не владел исходный материал.

У полупроводников ширина запрещённой зоны невелика. Под действием внешних сил электроны способны покидать валентную область. Причиной становится электрическое напряжение, нагрев, облучение, прочие типы воздействий. У диэлектриков и полупроводников по мере понижения температуры электроны переходят на пониженные уровни, в результате валентная зона заполняется, а зона проводимости остаётся свободна. Электрический ток не течёт. В соответствии с квантовой теорией класс полупроводников характеризуется как материалы с шириной запрещённой зоны менее 3 эВ.

Энергия Ферми

Важное место в теории проводимости, объяснениях явлений, происходящих в полупроводниках, занимает энергия Ферми. Скрытности добавляют туманную определения термина в литературе. В зарубежной литературе говорится, что уровень Ферми — некое значение в эВ, а энергия Ферми – разница между ним и наименьшим в кристалле. Приведём избранные общие и понятные предложения:

Уровень Ферми – максимальный из всех, присущих электрону в металлах при температуре 0 К. Следовательно, энергией Ферми считается разница между этой цифрой и минимальным уровнем при абсолютном нуле.
Энергетический уровень Ферми – вероятность нахождения электронов составляет 50% при всех температурах, кроме абсолютного нуля.

Энергия Ферми определятся исключительно для температуры 0 К, тогда как уровень существует при любых условиях. В термодинамике понятие характеризует полный химический потенциал всех электронов. Уровень Ферми определяют как работу, затраченную на дополнение объекта единственным электроном. Параметр определяет проводимость материала, помогает понять физику полупроводников.

Уровень Ферми не обязательно существует физически. Известны случаи, когда место пролегания находилось в середине запрещённой зоны. Физически уровень не существует, там нет электронов. Однако параметр заметен при помощи вольтметра: разница потенциалов между двумя точками цепи (показания на дисплее) пропорциональна разнице уровней Ферми этих точек и обратно пропорциональна заряду электрона. Простая зависимость. Допустимо увязать эти параметры с проводимостью и удельным сопротивлением, пользуясь законом Ома для участка цепи.

Материалы с низким удельным сопротивлением

К проводникам относят большинство металлов, графит, электролиты. Такие материалы обладают низким удельным сопротивлением. В металлах положительно заряженные ионы образуют узлы кристаллической решётки, окружённые облаком электронов. Их принято называть общими за вхождение в состав зоны проводимости.

Хотя не до конца понятно, что такое электрон, его принято описывать как частицу, движущуюся внутри кристалла с тепловой скоростью в сотни км/с. Это намного больше, чем нужно, чтобы вывести космический корабль на орбиту. Одновременно скорость дрейфа, образующая электрический ток под действием вектора напряжённости, едва достигает сантиметра в минуту. Поле распространяется в среде со скоростью света (100 тыс. км/ с).

В результате указанных соотношений становится возможным выразить удельную проводимость через физические величины (см. рисунок):

Формула для расчётов

Заряд электрона, e.
Концентрация свободных носителей, n.
Масса электрона, me.
Тепловая скорость носителей,
Длина свободного пробега электрона, l.

Уровень Ферми для металлов лежит в пределах 3 — 15 эВ, а концентрация свободных носителей почти не зависит от температуры. Поэтому удельная проводимость, а значит, и сопротивление определяется строением молекулярной решётки и её близостью к идеалу, свободой от дефектов. Параметры определяют длину свободного пробега электронов, легко найти в справочниках, если требуется произвести вычисления (к примеру, с целью определения удельного сопротивления).

Лучшей проводимостью обладают металлы с кубической решёткой. Сюда относят и медь. Переходные металлы характеризуются гораздо большим удельным сопротивлением. Проводимость падает с ростом температуры и при высоких частотах переменного тока. В последнем случае наблюдается скин-эффект. Зависимость от температуры линейная выше некого предела, носящего имя нидерландского физика Петера Дебая.

Отмечаются и не столь прямолинейные зависимости. К примеру, температурная обработка стали повышает количество дефектов, что закономерно снижает удельную проводимость материала. Исключением из правила стал отжиг. Процесс снижает плотность дефектов, что за счёт чего удельное сопротивление уменьшается. Яркое влияние оказывает деформация. Для некоторых сплавов механическая обработка приводит к заметному повышению удельного сопротивления.

Объёмное представление свойства

Материалы с высоким удельным сопротивлением

Порой требуется специально удельное сопротивление повысить. Подобная ситуация встречается в случаях с нагревательными приборами и резисторами электронных схем. Вот тогда приходит черед сплавов с высоким удельным сопротивлением (более 0,3 мкОм м). При использовании в составе измерительных приборов предъявляется требование минимального потенциала на границе стыковки с медным контактом.

Наибольшую известность получил нихром. Нередко нагревательные приборы конструируют из дешёвого фехраля (хрупкий, но дешёвый). В зависимости от назначения в сплавы входит медь, марганец и прочие металлы. Это дорогое удовольствие. К примеру, резистор из манганина стоит 30 центов на Алиэкспресс, где цены традиционно ниже магазинных. Встречается даже сплав палладия с иридием. О цене материала не следует говорить вслух.

Резисторы печатных плат часто изготавливают из чистых металлов в виде плёнок методом напыления. Массово применяются хром, тантал, вольфрам, сплавы, среди прочего, нихром.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.

Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.

vashtehnik.ru

Удельное электрическое сопротивление: что это такое?

Большинство законов физики основано на экспериментах. Имена экспериментаторов увековечены в названиях этих законов. Одним из них был Георг Ом.

Опыты Георга Ома

Он установил в ходе экспериментов по взаимодействию электричества с различными веществами, в том числе металлами фундаментальную взаимосвязь плотности электрического тока, напряжённости электрического поля и свойства вещества, которое получило название «удельная проводимость». Формула, соответствующая этой закономерности, названная как «Закон Ома» выглядит следующим образом:

j= λE, в которой

j — плотность электрического тока;
λ — удельная проводимость, именуемая также как «электропроводность»;
E – напряжённость электрического поля.

В некоторых случаях для обозначения удельной проводимости используется другая буква греческого алфавита — σ. Удельная проводимость зависит от некоторых параметров вещества. На её величину оказывают влияние температура, вещества, давление, если это газ, и самое главное структура этого вещества. Закон Ома соблюдается только для однородных веществ.

Для более удобных расчётов используется величина обратная удельной проводимости. Она получила название «удельное сопротивление», что так же связано со свойствами вещества, в котором течёт электрический ток, обозначается греческой буквой ρ и имеет размерность Ом*м. Но поскольку для различных физических явлений применяются разные теоретические обоснования, для удельного сопротивления могут быть использованы альтернативные формулы. Они являются отображением классической электронной теории металлов, а также квантовой теории.

Формулы

В этих утомительных, для простых читателей, формулах появляются такие множители, как постоянная Больцмана, постоянная Авогадро и постоянная Планка. Эти постоянные применяются для расчетов, которые учитывают свободный пробег электронов в проводнике, их скорость при тепловом движении, степень ионизации, концентрацию и плотность вещества. Словом, всё довольно сложно для не специалиста. Чтобы не быть голословным далее можно ознакомиться с тем, как всё выглядит на самом деле:

Особенности металлов

Поскольку движение электронов зависит от однородности вещества, ток в металлическом проводнике течёт соответственно его структуре, которая влияет на распределение электронов в проводнике с учётом его неоднородности. Она определяется не только присутствием включений примесей, но и физическими дефектами – трещинами, пустотами и т.п. Неоднородность проводника увеличивает его удельное сопротивление, которое определяется правилом Маттисена.

Это несложное для понимания правило, по сути, говорит о том, что в проводнике с током можно выделить несколько отдельных удельных сопротивлений. А результирующим значением будет их сумма. Слагаемыми будут удельное сопротивления кристаллической решётки металла, примесей и дефектов проводника. Поскольку этот параметр зависит от природы вещества, для вычисления его определены соответствующие закономерности, в том числе и для смешанных веществ.

Несмотря на то, что сплавы это тоже металлы, они рассматриваются как растворы с хаотической структурой, причём для вычисления удельного сопротивления имеет значение, какие именно металлы входят в состав сплава. В основном большинство сплавов из двух компонентов, которые не принадлежат к переходным, а также к редкоземельным металлам попадают под описание законом Нодгейма.

Как отдельная тема рассматривается удельное сопротивление металлических тонких плёнок. То, что его величина должна быть больше чем у объёмного проводника из такого же металла вполне логично предположить. Но при этом для плёнки вводится специальная эмпирическая формула Фукса, которая описывает взаимозависимость удельного сопротивления и толщины плёнки. Оказывается, в плёнках металлы проявляют свойства полупроводников.

А на процесс переноса зарядов оказывают влияние электроны, которые перемещаются в направлении толщины плёнки и мешают перемещению «продольных» зарядов. При этом они отражаются от поверхности плёночного проводника, и таким образом один электрон достаточно долго совершает колебания между его двумя поверхностями. Другим существенным фактором увеличения удельного сопротивления является температура проводника. Чем выше температура – тем сопротивление больше. И наоборот, чем ниже температура, тем сопротивление меньше.

Металлы являются веществами с наименьшим удельным сопротивлением при так называемой «комнатной» температуре. Единственным неметаллом, который оправдывает своё применение как проводник, является углерод. Графит, являющийся одной из его разновидностей, широко используется для изготовления скользящих контактов. Он имеет очень удачное сочетание таких свойств как удельное сопротивление и коэффициент трения скольжения. Поэтому графит является незаменимым материалом для щёток электродвигателей и других скользящих контактов. Величины удельных сопротивлений основных веществ, используемых для промышленных целей, приведены в таблице далее.

Сверхпроводимость

При температурах соответствующих сжижению газов, то есть вплоть до температуры жидкого гелия, которая равна – 273 градуса по Цельсию удельное сопротивление уменьшается почти до полного исчезновения. И не только у хороших металлических проводников, таких как серебро, медь и алюминий. Практически у всех металлов. При таких условиях, которые называются сверхпроводимостью, структура металла не имеет тормозящего влияния на движение зарядов под действием электрического поля. Поэтому ртуть и большинство металлов становятся сверхпроводниками.

Но, как выяснилось, относительно недавно в 80-х годах 20-го века, некоторые разновидности керамики тоже способны к сверхпроводимости. Причём для этого не надо использовать жидкий гелий. Такие материалы назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Однако уже прошло несколько десятков лет, и ассортимент высокотемпературных проводников существенно расширился. Но массового использования таких высокотемпературных сверхпроводящих элементов не наблюдается. В некоторых странах сделаны единичные инсталляции с заменой обычных медных проводников на высокотемпературные сверхпроводники. Для поддержания нормального режима высокотемпературной сверхпроводимости необходим жидкий азот. А это получается слишком дорогим техническим решением.

Поэтому, малое значение удельного сопротивления, дарованное Природой меди и алюминию, по-прежнему делает их незаменимыми материалами для изготовления разнообразных проводников электрического тока.

podvi.ru

Удельное сопротивление металлов. Таблица | ELEKT.TECH

Содержание страницы

Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м).

Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

где:ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),Е — напряженность электрического поля (В/м),J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

где:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

где:R — сопротивление провода (Ом)ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)L — длина провода (м)А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10-6*(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

elekt.tech

Удельное электрическое сопротивление

Электрический ток возникает в результате замыкания цепи с разностью потенциалов на зажимах. Силы поля воздействуют на свободные электроны и они перемещаются по проводнику. В процессе этого путешествия, электроны встречаются с атомами и передают им часть своей накопившейся энергии. В результате этого их скорость уменьшается. Но, из-за воздействия электрического поля, она снова набирает обороты. Таким образом, электроны постоянно испытывают на себе сопротивление, именно поэтому электрический ток нагревается.

Свойство вещества, превращать электроэнергию в тепло во время воздействия тока, и является электрическим сопротивлением и обозначается, как R, его измерительной единицей является Ом. Величина сопротивления зависит, главным образом от способности различных материалов проводить ток.Впервые, о сопротивляемости заявил немецкий исследователь Г. Ом.

Для того, чтобы узнать зависимость силы тока от сопротивления, известный физик провел множество экспериментов. Для опытов он использовал различные проводники и получал различные показатели.Первое, что определил Г. Ом — это то, что удельное сопротивление зависит от длинны проводника. То есть, если увеличивалась длинна проводника, сопротивление тоже увеличивалось. В результате, эта связь была определена, как прямо пропорциональная.

Вторая зависимость — это площадь поперечного сечения. Её можно было определить путем поперечного среза проводника. Площадь той фигуры, что образовалась на срезе и есть площадь поперечного сечения. Здесь связь получилась обратно пропорциональная. То есть чем больше была площадь поперечного сечения, тем меньше становилось сопротивление проводника.

И третья, важная величина, от которой зависит сопротивление, это материал. В результате того, что Ом использовал в опытах различные материалы, он обнаружил различные свойства сопротивляемости. Все эти опыты и показатели были сведены в таблицу из которой видно, различное значение удельной сопротивляемости у различных веществ.

Известно, что самые лучшие проводники — металлы. А какие из металлов лучшие проводники? В таблице показано, что наименьшей сопротивляемостью обладают медь и серебро. Медь используется чаще из-за меньшей стоимости, а серебро применяют в наиболее важных и ответственных приборах.

Вещества с высоким удельным сопротивлением в таблице, плохо проводят электрический ток, а значит могут быть прекрасными изоляционными материалами. Вещества обладающие этим свойством в наибольшей степени, это фарфор и эбонит.

Вообще, удельное электрическое сопротивление является очень важным фактором, ведь, определив его показатель, мы можем узнать из какого вещества сделан проводник. Для этого необходимо измерить площадь сечения, узнать силу тока с помощью вольтметра и амперметра, а также измерить напряжение. Таким образом мы узнаем значение удельного сопротивления и, с помощью таблицы легко выйдем на вещество. Получается, что удельное сопротивление — это в роде отпечатков пальцев вещества. Кроме этого, удельное сопротивление важно при планировании длинных электрических цепей: нам необходимо знать этот показатель, чтобы соблюдать баланс между длинной и площадью.

Есть формула, определяющая, что сопротивление равно 1 ОМ, если при напряжении 1В, его сила тока равняется 1А. То есть, сопротивление единичной площади и единичной длинны, сделанного из определенного вещества и есть удельное сопротивление.

Надо отметить также, что показатель удельного сопротивления напрямую зависит от частоты вещества. То есть от того имеет ли он примеси. Та, добавление всего одного процента марганца увеличивает сопротивляемость самого проводящего вещества — меди, в три раза.

Эта таблица демонстрирует величину удельного электрического сопротивления некоторых веществ.

Материалы с высокой проводимостью

МедьКак мы уже говорили медь чаще всего применяется в качестве проводника. Это объясняется не только её низкой сопротивляемостью. Медь имеет такие преимущества, как высокая прочность, стойкость к коррозии, легкость в использовании и хорошая обрабатываемость. Хорошими марками меди считается М0 и М1. В них количество примесей не превышает 0,1%.

Высокая стоимость металла и его преобладающая в последнее время дефицитность побуждает производителей применять в качестве проводника алюминий. Также, используются сплавы меди с различными металлами.АлюминийЭтот металл значительно легче меди, но алюминий обладает большими значениями теплоемкости и температуры плавления. В связи с этим для того, что довести его до расплавленного состояния требуется больше энергии, чем меди. Тем не менее нужно учитывать факт дефицитности меди.В производстве электротехнических изделий применяется, как правило, алюминий марки А1. Он содержит не более 0,5% примесей. А металл наивысшей частоты — это алюминий марки АВ0000.ЖелезоДешевизна и доступность железа омрачается его высокой удельной сопротивляемостью. Кроме того, она быстро подвергается коррозии. По этой причине стальные проводники часто покрывают цинком. Широко используется так называемый биметалл — это сталь покрытая для защиты медью.НатрийНатрий, тоже доступный и перспективный материал, но его сопротивляемость почти в три раза больше меди. Кроме того, металлический натрий обладает высокой химической активностью, что обязывает покрывать такой проводник герметичной защитой. Она же должна защищать проводник от механических повреждений, так как натрий очень мягкий и достаточно непрочный материал.

СверхпроводимостьВ таблице ниже, указано удельное сопротивление веществ при температуре 20 градусов. Указание температуры неслучайно, ведь удельное сопротивление напрямую зависит от этого показателя. Это объясняется тем, что при нагревании, повышается и скорость атомов, а значит вероятность встречи их с электронами тоже увеличится.

Интересно, что происходит с сопротивляемостью в условиях охлаждения. Впервые поведение атомов при очень низких температурах заметил Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году. Он охладил ртутную проволоку до 4К и обнаружил падение её сопротивляемости до нуля. Изменение показателя удельной сопротивляемости у некоторых сплавов и металлов в условиях низкой температуры, физик назвал сверхпроводимостью.

Сверхпроводники переходят в состояние сверхпроводимости при охлаждении, и, при этом их оптические и структурные характеристики не меняются. Главное открытие состоит в том, что электрические и магнитные свойства металлов в сверхпроводящем состоянии сильно отличаются от их же свойств в обычном состоянии, а также от свойств других металлов, которые при понижении температуры не могут переходить в это состояние.Применение сверхпроводников осуществляется, главным образом, в получении сверхсильного магнитного поля, сила которого достигает 107 А/м. Также разрабатываются системы сверхпроводящих линий электропередач.

jelektro.ru

Удельное сопротивление металлов: таблица и зависимость - Металлургия

Физическая величина, которая показывает, какое препятствие возникает току при его прохождении по проводнику, такая величина называется – удельное электрическое сопротивление металлов. Великий ученый Георг Ом назвал в честь себя эту единицу измерения Ом. Знаменитый ученый разработавший закон нахождения сопротивления.

Сопротивление металлов

На примере металлических твердых тел проанализируем сопротивление проводников. Металлы состоят из кристаллических решеток. Эта решетка имеет положительные заряды и полностью имеет строгую упорядоченность. Свободные электроны являются носителями зарядов в металле, а также они не принадлежат определенному атому и их движение происходит в хаотичном порядке. Как нам уже известно, из учебников по квантовой физики, движение электронов в металлическом твердом теле это и есть ни что иное, как распределение электромагнитных волн по твердым телам. Отсюда напрашивается вывод, что электроны в проводнике двигаются со скоростью света, и проявляет себя не только в роли частицы, но и как энергетические волны. При рассеивании электромагнитных волн и её дефектах, а также колебаниях тепловых решеток происходит сопротивление металла. Во время столкновения электронов с кристаллической решеткой часть энергии отдается узлам решетки, что и заставляет выделять энергию. Благодаря формуле Q=I2Rt знаменитого закона Джоуля-Ленца можно вычислить эту энергию при постоянной подачи тока. Это и так понятно, что чем больше будет сопротивление, тем больше будет подача энергии.

Очень важно знать, что существует такое понятие как удельное сопротивление, оно отличается тем, что сопротивление единиц длины. У каждого вида метала свое удельное сопротивление металлов, таблица наглядно показывает это. К примеру, у алюминия 0,0271 Ом мм2/м, а у меди достигает 0,0175 Ом мм2/м. Отсюда вывод что медное тело длиной м и с площадью поперечного сечения будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, в то время, когда алюминий 0,0271 Ом. Получается, что проводимость электричества у алюминия гораздо ниже, чем у меди. Нужно не забывать, что у каждого метала сопротивление своё. И высчитать его можно по уже знакомой нам формуле.

Удельное электрическое сопротивление при температуре 20 °C, Ом*м

Температурная зависимость

Также сопротивление может изменяться и при изменении температуры, они напрямую используются в термометрах. Такие приборы обычно используют для измерения температуры и полностью зависят от показателей сопротивления. У термометра сопротивления малый диапазон температур, но высокая точность измерения.

В практических работах свойства проводников при их препятствию тока, очень часто используются. Что бы далеко не ходить примером может послужить лампа высокого накаливания, где нить из вольфрамового сплава нагревается из-за сопротивления металла, имею большую длину и узкое сечение. Также любой нагревательный прибор, где спираль накаливается за счёт большой сопротивляемости. В любой технике есть прибор называемый резистор, он отвечает за сопротивляемость. Эти резисторы используются практически во всех электроприборах и электрических схемах.

specural.com

Удельные сопротивления металлов и сплавов

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ р 0м мм>1м МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ [c.936]

Для металлов и сплавов зависимость удельного сопротивления от температуры в небольшом интервале температур вблизи О °С выражается формулой [c.409]

В электротехнике применяют две группы проводников. К первой относятся проводники с высокой электропроводностью, больщей частью чистые металлы (медь, алюминий), служащие для канализации электричества (провода) вторую группу составляют сплавы, некоторые чистые металлы и другие материалы, обладающие большим удельным сопротивлением, благодаря которому они дают возможность на небольшом участке цепи и в небольшом объеме сосредоточить большое падение потенциала. По применению эту группу проводников в свою очередь можно подразделить на две подгруппы а) сплавы для измерительных приборов и эталонов и б) проводники для нагревателей и реостатов. [c.122]

Удельное сопротивление металлов и сплавов зависит от температуры. Как правило, электросопротивление тем больше, чем вьшхе температу- [c.32]

Сплавы. Металлы в чистом виде применяют на практике гораздо реже их сплавов. Это связано с тем, что сплавы часто обладают более высокими техническими качествами, чем чистые металлы. Так, латунь (сплав меди и цинка) значительно тверже меди и цинка отдельно взятых. Сплавы, как правило, плавятся при более низких температурах, чем образующие их металлы. Так, температуры плавления натрия и калия соответственно равны 97,5 и 62,3 °С. Сплав же, состоящий из 56% (масс.) Na и 44% (масс.) К, плавится при 19 °С, Удельные электрические сопротивления сплавов и образующих их металлов также значительно отличаются. Например, удельное сопротивление никеля равно 7-10 , хрома—15-10- , а их сплава — нихрома [80% (масс.) Ni + 20% (масс.) Сг] —110-10- Ом-ем. В настоящее время в технике применяют большое число различных сплавов, обладающих заранее заданными свойствами, причем для их получения используют более 40 химических элементов в самых разнообразных сочетаниях и ко личественных соотношениях, [c.397]

ЖЕРТВЕННЫЕ АНОДЫ. Если вспомогательный анод изготовлен из металла более активного (в соответствии с электрохимическим рядом напряжений), чем защищаемый, то в гальваническом элементе протекает ток — от электрода к защищаемому объекту. Источник приложенного тока (выпрямитель) можно не использовать, а электрод в этом случае называют протектором (рис. 12.2). В качестве протекторов для катодной защиты используют сплавы на основе магния или алюминия, реже — цинка. Протекторы, по существу, служат портативными источниками электроэнергии. Они особенно полезны, когда имеются трудности с подачей электроэнергии или когда сооружать специальную линию электропередачи нецелесообразно или неэкономично. Разность потенциалов разомкнутой цепи магния и стали составляет примерно 1 В (в морской воде магний имеет Е = —1,3 В), так что одним анодом может быть защищен только ограниченный участок трубопровода, особенно в грунтах с высоким удельным сопротивлением. Столь небольшая разность потенциалов иногда [c.218]

П1-2- Удельное сопротивление р металлов и сплавов, применяемых в нагревательных устройствах [c.41]

Проводники обладают малым удельным сопротивлением, порядка 10 —10 ом-см, и высокой электропроводностью. К проводникам относятся многие металлы и сплавы (серебро, медь, золото, бронза и др.). [c.66]

Сплавы цветных металлов своими свойствами резко отличаются от свойств входящих в них чистых металлов они обладают высокой механической прочностью, которая много выше прочности отдельных элементов сплава, более низкой температурой плавления, более высоким удельным сопротивлением электрическому току и лучшей коррозионной стойкостью. [c.44]

Удельное сопротивление чистых металлов в области высоких температур примерно пропорционально температуре, т. е. изменение удельного сопротивления на один градус почти постоянно. В области низких температур скорость изменения удельного сопротивления снижается, а при самых низких температурах удельное сопротивление металла приближается к постоянной величине. Поэтому термометр сопротивления из металла является плохим термометром при температурах жидкого гелия. В термометрах сопротивления иногда используют сплавы [55, 87, 121. [c.299]

Электрические свойства металлов. Основой изучения электрических свойств металлов и их сплавов является закон Ома. Константой, характеризующей электрические свойства металла, является его удельное сопротивление р. Оно определяется природой объекта и не зависит от его формы и размеров. Значение р может бьпъ получено измерением сопротивления г на образце длиной I и сечением 5 по формуле [c.32]

В частности, удельное сопротивление стекла электрическому току значительно зависит от температуры, и в этом оно ведет себя, как полупроводник. Если металлы и их сплавы, а также большинство изоляционных материалов имеют температурный коэффициент сопротивления (ТКС) не более 1 % на градус, то у стекла ТКС доходит до 15% на градус. С ростом температуры сопротивление стекла падает, и стекло становится проводником электрического тока с удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению электролитов. Это свойство используется в стекловаренных электропечах, когда расплавленная стекломасса сама является электронагревателем, это явление используется и для электросварки стеклоизделий. Свариваемые стеклоизделия сначала подогреваются пламенем или внешним электронагревателем до температуры, при которой стекло становится достаточно электропроводным, затем через него пропускается электрический ток. Происходит непосредственный нагрев стекла до степени размягчения, необходимой для сварки, свариваемые поверхности деталей вводятся в соприкосновение и прижимаются друг к другу. В месте соединения образуется однородный шов со свойствами, мало отличающимися от свойств основного материала свариваемых деталей. [c.187]

В задании на проектирование тигельных индукционных печей указывается наименование и состав металла или сплава, который будет расплавляться в печи, его данные (температура плавления и разливки, удельное сопротивление в холодном состоянии и при температуре разливки и пр.), производительность печи или ее емкость и параметры силовой сети, к которой будет присоединена электропечная установка. В результате проектирования должна быть выбрана наиболее рацио-1 нальная конструкция печи, определены ее основные геометрические размеры, найдены все параметры (активная мощность, частота, напряжение и число виг-ков индуктора, реактивная мощность конденсаторной батареи и т. д.) и определены технико-экономические показатели установки. [c.217]

Этой формулой пользуются для расчета плавких предохранителей. В табл. 35 приведены данные для расчета силы тока, переплавляющего проволоку. Для плавких предохранителей применяют металлы с малым удельным сопротивлением и высокой температурой плавления—медь, серебро, алюминий или легкоплавкие металлы с большим удельным сопротивлением—свинец, цинк и некоторые свинцовые сплавы (для силы тока меньше 100 а). Длина предохранительной проволоки должна быть небольшой, чтобы сопротивление ее было мало по сравнению с сопротивлением цепи. [c.125]

Удельное сопротивление и удельная электрическая проводимость металлов, сплавов и угля [c.21]

Для изготовления протекторов применяют сплавы из металлов, электрохимически более активных, чем металл защищаемых сооружений. Для исключения образования на поверхности плохо проводящих окислов и стабилизации работы в процессе эксплуатации сплав упаковывают в активатор. При необходимости установки протектора в грунтах с высоким удельным сопротивлением последний целесообразно помещать в заполнитель из хорошо проводящего материала. [c.148]

По данным рентгеноструктурного анализа, осадок сплава представляет собою механическую смесь двух металлов, что соответствует диаграмме состояния. Физико-химические свойства сплава 5п—исследованы при содержании висмута от О до 43%. На рис. 20 представлены зависимости микротвердости и удельного сопротивления от состава сплава. Авторы делйют заключение, что при содержании 3% висмута в сплаве образуется пересыщенный раствор висмута в олове. Для получения блестящего покрытия сплавом олово-висмут (1—2% В ) рекомендуется электролит следующего состава (г/л) 5п (металлическое) 29,8—29,5, В1 (металлический) 0,2—0,5, Нг504 100, формалин 5—10, добавка Погресс или ОП-10 5—10, добавка ПК /О го 30 М 50 5—10. Плотность тока [c.212]

Удельное электрическое сопротивление. По этому показателю сплавы также отличаются от исходных чистых металлов. Например, удельное сопротивление (в омосантиметрах) у никеля равно 7-10- , у хрома — 15-10- , а у нихрома (80% N1 + 20% Сг) это сопротивление составляет 110-10- ом-см, т. е. значительно больше, чем у отдельных компонентов указанного сплава. [c.306]

При выборе соотношения сечений термоэлектродов для данной термопары следует учитывать, что коэффициент теплопроводности и удельные сопротивления разных металлов и сплавов существенно различны, поэтому оптимальное сечение термоэлектродов в одних и тех же условиях также должно быть различным. Сечения термоэлектродов термопары рекомендуется выбирать такими, чтобы они были пропорциональны квадратным корням их удельных сопротивлений и обратно пропорциональны квадратным корням их коэффициентов теплопроводности. Из этих соображений в случае, например, термопары медь — константан медную проволоку лучше брать значительно меньшего сечения, чем константа-новую. [c.154]

Однако в последние годы наметилась тенденция к расширению области использования тигельных индукционных печей в направлении плавки металлов с низким удельным сопротивлением, таких, как алюминий и медные сплавы. Это объясняется, с одной стороны, общим уменьшением дефицита электроэнергии, а с другой,—теми эксплуатационными преимуществами, которые создает плавка в тигельных печах по сравнению с плавкой в печах других типов (например, в канальных индукционных печах). В частности, при плавке алюминия и его сплавов в тигельных печах отпадает необходимость регулярной чистки каналов (не реже 1 раза в смену и иногда после каждой плавки). Кроме того, в тигельных печах можно вести одиночные плавки, что трудно осуществимо в канальных печах, предназначенных для непрерывной круглосуточной работы. В некоторых случаях этот довод может явиться решающим в пользу применения тигельных печей для плавки цветных металлов. [c.155]

Потери в бронзовом или алюминиевом корпусе несколько меньше, чем в корпусе из немагнитной стали, вследствие меньшего удельного сопротивления бронзы и алюминия. Бронза является дефицитным сплавом, хотя по стоимости она дешевле немагнитной стали. В настоящее время в СССР корпуса печей изготовляются из немагнитной стали, хотя корпуса из алюминиевых сплавов по стоимости дешевле и потери в них ниже, чем в корпусах из немагнитной стали, причем алюминий не является дефицитным металлом. [c.194]

Удельное сопротивление р и глубина проникновения Аэ для некоторых металлов и сплавов в расплавленном состоянии [c.348]

Наименование металла нли сплава Температура, С Удельное сопротивление 10 ом-см Удельный вес Теплоемкость жидкого металла при температуре перегрева, ккал/кГ-град Скрытая теплота плавле- ния, ккал/кГ [c.17]

Температура, при которой наступает указанное вполне беспорядочное расположение атомов, называется критической температурой, точкой Кюри, или температурой перехода. В эквиатомном сплаве Си и 2п температура перехода равна 460° С. В этом сплаве постепенное поднятие температуры до температуры перехода и выше сопровождается аномальным увеличением удельной теплоемкости Ср до наибольшего значения в точке перехода и последующим резким падением быстрым увеличением удельного объема, вследствие чего коэффициент ар объемной расширяемости достигает при 460° С значения 55-10 и затем резко падает до 30-10" быстрым возрастанием удельного сопротивления вплоть до температуры перехода и заметным уменьшением скорости возрастания за этой температурой. Аналогичные явления имеют место при приближении к точке перехода и в других сплавах двух металлов. [c.263]

Кроме того, в отличие от метода определения ARIR, определение А/// применимо и в том случае, когда в ходе опыта изменяется удельное сопротивление металла образца, например в результате старения сплава или под действием нейтронного облучения. [c.64]

Примеры полученных кривых стационарного распределения лред-ставлены на рис, 1 и 2, По оси ординат отложены величины, пропозициональные концентрации растворенного металла (разница между удельным сопротивлением сплава и удельным сопротивлением чистого щелочного металла), по оси абсцисс — падение напряжения. Как бидно, наблюдается зависимость, удовлетворяющая уравнению (1), По наклону прямой на логарифмическом графике определяют коэффициент электродиффузии К. [c.72]

Сплав Ag—находит применение в радиотехнической промышленности. В частности, электролитическое осаждение сплава Ag—В1 на молибденовые испарители при изготовлении передающих телевизионных трубок типа суперортикон более технологично, чем применявшееся до сих пор раздельное осаждение этих металлов. Структура этих сплавов изучалась Е. Раубом и А. Энгелем (см. гл. I). Для осаждения этого сплава С. Я-Грилихес предлагает в серебряный цианистый электролит добавлять комплексную соль висмута, которая получается при растворении основной азотнокислой соли висмута В10Ы0э в сложном пептизаторе (смесь К2С4Н4О6 и КОН). Удельное сопротивление сплава Ag—В характеризуется следующими цифрами. При содержании в сплаве 0,6% В1 оно равняется 2,5-10 ом м содержании 1,5%—6,0-10" , а при [c.286]

Несомненно, что хрупкость марганца вызвана не примесями, — судя по кристаллической структуре и электрическим свойствам, металл ведет себя как сплав три его модификации подчиняются закону Матиссепа — произведение температурного коэффициента и удельного сопротивления а р является величиной постоянной. [c.344]

З длпняется примерно на 0,0002 см на каждый сантиметр длины при изменении давления от 20 до 200 i Лig. С микропереключателем системы ВРВ, а в дальнейшем ВРК-8 оказалось возможным использовать вольфрамовую нить указанного диаметра длиной 75 мм. Наблюдалось, что со временем, в результате старения, коэффициент линейного расширения и удельное сопротивление вольфрама меняются. Лучшие результаты были получены с отожженной нитью. Испытывались также и другие металлы, включая платину и сплав хромель С, но они не подошли из-за недостаточной прочности на разрыв. Диаметр нити 0,075 мм является оптимальным, он обеспечивает требуемый нагрев при сравнительно небольшом токе подогрева и такая нить обладает достаточной прочностью на разрыв нри нагрузке от 200 до 300 г в микропереключателе системы ВРК (и от 100 до 150 г в ВРК-8). Накал нитп производился как при стабилизованном напряжении, так и при стабилизованном токе, причем при стабилизованном токе наблюдался лучший результат. Нить включалась последовательно с постоянными и переменными сопротивлениями, причем питание производилось от феррорезонансного стабилизатора. Изменение длины нити в зависимости от изменения давления онределяется теплопроводностью разреженного газа. Поскольку величина удлинения очень мала, для механического крепления нити необходимо выбирать материал с незначительным коэффициентом линейного растяжения. Опробовались некоторые материалы, Б том числе и фарфор, и в конце концов был выбран плавленый кварц. На фиг. 86 показана схема этого реле. Устанавливать его желательно на специальных амортизаторах, чтобы исключить возможность срабатывания от случайных сотрясений. [c.193]

В задании на проектирование индукциойных печей без сердечника укавываются наименование и состав металла или сплава, который будет расплавляться в печи, его данные (температура плавления и разливки, удельное сопротивление в холодном состояняи и при темпера- [c.234]

Температура плавления алюминия равна 658° С, температура разливки 700° С. При большом перегреве повышается окисляемость металла, поэтому температура перегрева не должна превышать 50—100° С. Вследствие малого удельного сопротивления алюминия коэффициент мощности печей состгвляет 0,2—0,4. Для улучшения os ф применяются батареи статических конденсаторов. Иногда канальная часть изготавливается с двумя параллельными каналами на один индуктор. При шихтовке материалов для выплавки алюми Ниевых сплавов 40—60% берется из свежих (или первичных) материалов в виде чушек и лигатур, а остальное — из вторичных материалов. [c.156]

chem21.info

Удельное сопротивление - это что такое?

Когда говорят, что медь является более тяжелым металлом, чем алюминий, то сравнивают их плотности. Аналогичным образом, когда говорят, что медь является лучшим проводником, чем алюминий, сравнивают их удельное сопротивление (ρ), значение которых не зависит от размера или формы конкретного образца — только от самого материала.

Теоретическое обоснование

Резистентность является мерой сопротивления электрической проводимости для заданного размера материала. Ее противоположность - электрическая проводимость. Металлы - хорошие электрические проводники (высокая проводимость и низкое значение ρ), в то время как неметаллы в основном являются плохими проводниками (низкая проводимость и высокое значение ρ).

Более знакомое термическое электрическое сопротивление измеряет, насколько трудно материалу проводить электричество. Это зависит от размера детали: сопротивление выше для более длинного или более узкого участка материала. Чтобы устранить эффект размера от сопротивления, используется удельное сопротивление провода - это материальное свойство, которое не зависит от размера. Для большинства материалов сопротивление увеличивается с температурой. Исключением являются полупроводники (например, кремний), в которых оно уменьшается с температурой.

Легкость, с которой материал проводит тепло, измеряется теплопроводностью. В качестве первой оценки хорошие электрические проводники также являются хорошими тепловыми проводниками. Сопротивление обозначается символом r, а его единица измерения — омметр. Сопротивление чистой меди составляет 1,7 × 10 -8 Ом. Это очень небольшое число - 0,000 000 017 Ом говорит о том, что кубический метр меди практически не оказывает сопротивление. Чем меньше удельное сопротивление (омметр или Ωm), тем лучше материал используется в электропроводке. Сопротивление — это обратная сторона проводимости.

Классификация материалов

Величина сопротивления материала часто используется для классификации в качестве проводника, полупроводника или изолятора. Твердые элементы классифицируются как изоляторы, полупроводники или проводники по их «статическому сопротивлению» в периодической таблице элементов. Удельное сопротивление в изоляторе, полупроводнике или проводящем материале является основным свойством, которое учитывается для применения в электротехнике.

В таблице показаны некоторые данные ρ, σ и температурных коэффициентов. Для металлов сопротивление возрастает по мере увеличения температуры. Для полупроводников и многих изоляторов верно обратное.

Материал	ρ (Ωm) при 20 ° C	σ (S / m) при 20 ° C	Температурный коэффициент (1 / ° C) x10 ^ -3
Серебро	1,59 × 10 -8	6,30 × 10 7	3,8
Медь	1,68 × 10 -8	5,96 × 10 7	3,9
Золото	2,44 × 10 -8	4,10 × 10 7	3,4
Алюминий	2,82 × 10 -8	3,5 × 10 7	3,9
Вольфрам	5,60 × 10 -8	1,79 × 10 7	4.5
Цинк	5,90 × 10 -8	1,69 × 10 7	3,7
Никель	6,99 × 10 -8	1,43 × 10 7	6
Литий	9,28 × 10 -8	1.08 × 10 7	6
Железо	1,0 × 10 -7	1,00 × 10 7	5
Платиновый	1,06 × 10 -7	9,43 × 10 6	3,9
Свинец	2,2 × 10 -7	4,55 × 10 6	3,9
Константан	4,9 × 10 -7	2.04 × 10 6	0,008
Меркурий	9,8 × 10 -7	1,02 × 10 6	0.9
Нихром	1.10 × 10 -6	9,09 × 10 5	0,4
Углерод (аморфный)	5 × 10 -4 до 8 × 10 -4	1,25-2 × 10 3	-0,5

Расчет удельного сопротивления

Для любой заданной температуры мы можем вычислить электрическое сопротивление объекта в омах, используя следующую формулу.

В этой формуле:

R - сопротивление объекта, в омах;
ρ – сопротивление (удельное) материала, из которого изготовлен объект;
L - длина объекта в метрах;
A—площадь поперечного сечения объекта, в квадратных метрах.

Удельное сопротивление равно определенному количеству омметров. Несмотря на то, что единица ρ в системе СИ, как правило, омметр, иногда применяют размерность ом на сантиметр.

Сопротивление материала определяется по величине электрического поля по нему, что дает определенную плотность тока.

ρ = E/ J, где:

ρ - в омметр;
E - величина электрического поля в вольтах на метр;
J - величина плотности тока в амперах на квадратный метр.

Как определить удельное сопротивление? Многие резисторы и проводники имеют равномерное поперечное сечение с равномерным потоком электрического тока. Поэтому существует более конкретное, но более широко используемое уравнение.

ρ = R*А/ J, где:

R - сопротивление однородного образца материала, измеренного в омах;
l - длина части материала, измеренная в метрах, м;
A - площадь поперечного сечения образца, измеренная в квадратных метрах, м2.

Основы резистивности материалов

Электросопротивление материала также известно как удельное электрическое сопротивление. Это показатель того, насколько сильно материал противостоит потоку электрического тока. Определить его можно через деление сопротивления на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения, для конкретного материала при заданной температуре.

Это означает, что низкое ρ указывает на материал, который легко позволяет перемещать электроны. И наоборот, материал с высоким ρ будет иметь высокое сопротивление и препятствовать потоку электронов. Элементы, такие как медь и алюминий, известны своим низким уровнем ρ. Серебро и, в частности, золото имеют очень низкое значение ρ, но по очевидным причинам их использование ограничено.

Область резистивности

Материалы помещаются в разные категории в зависимости от их показателя ρ. Краткое изложение приведено в таблице ниже.

Уровень проводимости полупроводников зависит от уровня легирования. Без легирования они выглядят почти как изоляторы, что аналогично и для электролитов. Уровень ρ материалов изменяется в широких пределах.

Категории оборудования и тип материалов	Область резистивности наиболее распространенных материалов в зависимости от ρ
Электролиты	Переменная
Изоляторы	~ 10 ^ 16
Металлы	~ 10 ^ -8
Полупроводники	Переменная
Сверхпроводники	0

Температурный коэффициент сопротивления

В большинстве случаев сопротивление увеличивается с температурой. В результате возникает необходимость в понимании температурной зависимости сопротивления. Причина температурного коэффициента сопротивления в проводнике может быть обоснована интуитивно. Сопротивление материала имеет зависимость от ряда явлений. Одним из них является число столкновений, которые происходят между носителями заряда и атомами в материале. Удельное сопротивление проводника с ростом температуры будет расти, так как увеличивается число столкновений.

Это может быть не всегда, и вызвано тем, что с повышением температуры высвобождаются дополнительные носители заряда, что приведет к снижению удельного сопротивления материалов. Данный эффект часто наблюдается в полупроводниковых материалах.

При рассмотрении температурной зависимости сопротивления обычно считается, что температурный коэффициент сопротивления следует линейному закону. Это касается температуры в помещении и для металлов и многих других материалов. Однако было обнаружено, что эффекты сопротивления, возникающие в результате числа столкновений, не всегда постоянны, особенно при очень низких температурах (явление сверхпроводимости).

График температуры сопротивления

Сопротивление проводника при любой заданной температуре можно рассчитать по значению температуры и ее температурному коэффициенту сопротивления.

R= Rref*(1+ α (T- Tref)), где:

R - сопротивление;
Rref - сопротивление при эталонной температуре;
α- температурный коэффициент сопротивления материала;
Tref -эталонная температура, для которой указан температурный коэффициент.

Температурный коэффициент сопротивления, обычно стандартизованный относительно температуры 20 °C. Соответственно, уравнение, обычно используемое в практическом смысле:

R= R20*(1+ α20 (T- T20)), где:

R20 = сопротивление при 20 °C;
α20 - температурный коэффициент сопротивления при 20 °C;
T20- температура равная 20 °C.

Сопротивление материалов при комнатной температуре

Таблица сопротивлений, приведенная ниже, содержит многие из веществ, широко используемых в электротехнике, включая медь, алюминий, золото и серебро. Эти свойства особенно важны потому, что определяют, может ли вещество использоваться при изготовлении широкого спектра электрических и электронных компонентов от проводов до более сложных устройств, таких как резисторы, потенциометры и многие другие.

Таблица резистивности различных материалов при температуре наружного воздуха 20 ° C
Материалы	Сопротивление ОМ при температуре 20 ° C
Алюминий	2,8 x 10 -8
Сурьма	3,9 × 10 -7
Висмут	1,3 х 10 -6
Латунь	~ 0,6 - 0,9 × 10 -7
Кадмий	6 x 10 -8
Кобальт	5,6 × 10 -8
Медь	1,7 × 10 -8
Золото	2,4 х 10 -8
Углерод (графит)	1 x 10 -5
Германий	4.6 x 10 -1
Железо	1.0 x 10 -7
Свинец	1,9 × 10 -7
Нихром	1,1 × 10 -6
Никель	7 x 10 -8
Палладий	1.0 x 10 -7
Платиновый	0,98 × 10 -7
Кварцевый	7 x 10 17
Кремний	6,4 × 10 2
Серебряный	1,6 × 10 -8
Тантал	1,3 х 10 -7
Вольфрам	4,9 х 10 -8
Цинк	5,5 x 10 -8

Сравнение проводимости меди и алюминия

Проводники состоят из материалов, которые проводят электрический ток. Немагнитные металлы обычно считаются идеальными проводниками электричества. В проводной и кабельной промышленности используются различные металлические проводники, но наиболее распространенными являются медь и алюминий. Проводники имеют разные свойства, такие как проводимость, прочность на растяжение, вес и воздействие на окружающую среду.

Удельное сопротивление проводника из меди гораздо чаще используется в производстве кабелей, чем алюминия. Почти все электронные кабели изготовлены из меди, как и другие устройства и оборудование, которые используют высокую проводимость меди. Медные проводники также широко используются в системах распределения и производства электроэнергии, автомобилестроения. Для экономии веса и затрат электропередающие предприятия используют алюминий в воздушных линиях электропередач.

Алюминий используется в отраслях, где важна его легковесность, таких как самолетостроение, в будущем ожидается увеличение применения его в автомобилестроении. Для более мощных кабелей применяют алюминиевую проволоку с медным покрытием, чтобы использовать удельное сопротивление меди, получая значительную экономию веса конструкции от легковесного алюминия.

Медные проводники

Медь — один из древнейших известных материалов. Ее пластичность и электропроводность были использованы ранними экспериментаторами с электричеством, такими, как Бен Франклин и Майкл Фарадей. Низкое ρ материалов меди привело к тому, что она были принята в качестве основных проводников, используемым в изобретениях, таких как телеграф, телефон и электродвигатель. Медь является наиболее распространенным проводящим металлом. В 1913 году был принят международный стандарт по прокаливанию меди (МАКО) для сравнения проводимости других металлов с медью.

Согласно этому стандарту, коммерчески чистая отожженная медь обладает проводимостью 100% IACS. Удельное сопротивление материалов сравнивают с эталоном. Коммерчески чистая медь, производимая сегодня, может иметь более высокие значения проводимости IACS, поскольку технология обработки со временем значительно шагнула вперед. В дополнение к превосходной проводимости меди, металл обладает высокой прочностью на растяжение, теплопроводностью и тепловым расширением. Отожженная медная проволока, используемая для электрических целей, соответствует всем требованиям стандарта.

Алюминиевые проводники

Несмотря на то, что медь имеет долгую историю в качестве материала для производства электроэнергии, алюминий обладает определенными преимуществами, которые делают его привлекательным для конкретного применения, а его удельное сопротивление тока позволяет расширить область его использования многократно. Алюминий имеет 61% проводимости меди и только 30% веса меди. Это означает, что провод из алюминия весит в два раза меньше, чем провод из меди, с таким же электрическим сопротивлением.

Алюминий, как правило, дешевле по сравнению с медной жилой. Алюминиевые проводники состоят из различных сплавов, имеют минимальное содержание алюминия 99,5%. В 1960-х и 1970-х годах из-за высокой цены на медь, этот класс алюминия стал широко использоваться для бытовой электропроводки.

Из-за низкого качества изготовления при соединениях и физических различий между алюминием и медью устройства и провода, изготовленные на базе их соединений, в местах контактов медь-алюминий стали пожароопасными. Для противодействия негативному процессу были разработаны алюминиевые сплавы, обладающие свойствами ползучести и удлинения, более похожими на медь. Эти сплавы применяются для изготовления многожильных алюминиевых проводов, удельное сопротивление тока которых приемлемо для массового использования, отвечающих требованиям безопасности для электрических сетей.

Если алюминий используется в местах, где ранее использовалась медь, чтобы сохранить равные показатели сети, приходится использовать алюминиевый провод в два раза превышающий размер медного провода.

Применение электропроводности материалов

Многие из материалов, найденных в таблице удельного сопротивления, широко используются в электронике. Алюминий и особенно медь используются из-за их низкого уровня сопротивления. Большинство проводов и кабелей, используемых в наши дни для соединений в электросетях, изготавливаются из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень ρ, и имеют доступную цену. Хорошая проводимость золота, несмотря на цену, также используется в некоторых особо точных приборах.

Часто покрытие золотом встречается на высококачественных низковольтных соединениях, где стоит задача обеспечить наименьшее контактное сопротивление. Серебро не так широко используется в промышленной электротехнике, так как оно быстро окисляется, и это приводит к большому контактному сопротивлению. В некоторых случаях оксид может выступать в качестве выпрямителя. Сопротивление тантала используют в конденсаторах, никель и палладий - в концевых соединениях для многих компонентов поверхностного монтажа. Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кристаллы кварца используются в качестве частотных элементах во многих генераторах, где его высокое значение позволяет создавать надежные частотные контуры.

fb.ru